Partenza alle ore 12.45; 144 i corridori al via che dovranno percorrere 17 volte un circuito di 13,2 nel centro di Atene. La corsa inizia subito col botto: al km 2 Astarloa, campione del mondo in carica, si tocca col connazionale Gutierrez Palacios e finisce per terra, coinvolgendo anche Boogerd: quest'ultimo e Astarloa si ritirano subito, Gutierrez si fermerà al tredicesimo giro. Al km 23, nel secondo giro, su un tratto in simil-pavè, parte Backstedt (vincitore della Roubaix), che arriva ad avere 3'35" sul gruppo prima di essere raggiunto da Virenque e Bodrogi. Il terzetto esaurisce il suo tentativo al km 133 e Backstedt si ritira.
Nel nono giro, sulla salita del Licabetto, la Germania prova un forcing con Klöden, Voigt e Ullrich, il gruppo si allunga e molti comprimari perdono le ruote dei migliori, i quali però restano tutti lì. Nel giro successivo c'è un nuovo allungo di Klöden sul Licabetto (km 123), e in contropiede provano uno scatto Valverde e Gonzalez de Galdeano, senza che il gruppo lasci spazio.
Alla fine del decimo giro Klöden si ritira, e partono Totschnig e Laverde, presto ripresi da un'altra decina di uomini, tra i quali Moreni. Quest'ultimo allunga in salita nel dodicesimo giro dietro a Unai Etxebarria; i due guadagnano circa 40" sul gruppo, in testa al quale nel frattempo si vede anche Bettini che prova la gamba. Su Moreni e Etxebarria si portano Elmiger, Cox, Power e McEwen, e il vantaggio lievita fino a 1'05", malgrado l'italiano non collabori al massimo all'azione. I sei vengono ripresi all'inizio del quindicesimo e quart'ultimo giro, quando la corsa entra nel vivo. Ci prova Hamilton, con lo stesso Moreni, Nardello e altri tre uomini, poi è la volta di Kroon con Kolobnev e Paolini: in ogni fuga c'è un italiano, la tattica funziona. Bettini tira ancora sul Licabetto, Vinokourov e Valverde sembrano i rivali messi meglio a 30 km dalla fine. Freire cade e poi si ritira, davanti prova ad allungare Hincapie, rilevato poi da un'azione di Merckx, Hoj, Arvesen e il solito Paolini, con Popovych a inseguire da solo.
Ma il gruppo è sempre lì, e su un allungo di Vinokourov i 5 vengono ripresi in avvio di 16esimo giro. E' il momento decisivo: in avvio di Licabetto, a circa 20 km dalla fine, Bettini scatta e il gruppo si spacca. Vinokourov, Van Petegem, Ullrich e Valverde sembrano resistere, ma alla prova dei fatti l'unico a tenere le ruote del livornese è il sorprendente portoghese Paulinho.
In cima alla salita i due hanno circa 10" sugli immediati inseguitori, ma tra il successivo falsopiano e la discesa il margine aumenta, grazie anche alla presenza di Paolini e Nardello in testa al gruppo, a rompere i cambi di chi insegue. All'ultimo passaggio al traguardo il vantaggio di Bettini e Paulinho è di 25". Sull'ultima ascesa al Licabetto il toscano prova a staccare il portoghese: Paulinho perde qualche metro, ma scala il rapporto e riesce a rientrare sull'azzurro. Il distacco degli inseguitori arriva a 45", quando Merckx fuoriesce da solo all'inseguimento. I battistrada si giocano la vittoria in volata; nell'ultimo km i due di testa rallentano e si guardano negli occhi, ma il margine sul belga è di sicurezza. Paulinho prova a sorprendere Bettini scattando ai 300 metri, guadagna pochi metri, ma la reazione dell'italiano è veemente e si concretizza nel sorpasso netto sul compagno di fuga e nell'esultanza a braccia alzate sotto lo striscione del traguardo.